欽州港全自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)仿真

彭駿駿，麥宇雄，梁 浩

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

自動(dòng)化集裝箱碼頭是一個(gè)復(fù)雜的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，存在各種不確定因素[1]。對(duì)于自動(dòng)化碼頭裝卸系統(tǒng)的研究，目前主流的方法是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立系統(tǒng)模擬模型，通過(guò)仿真試驗(yàn)研究碼頭通過(guò)能力、設(shè)備配置、交通組織等問(wèn)題，確保碼頭裝卸工藝系統(tǒng)的合理性[2]。

欽州港全自動(dòng)化集裝箱碼頭采用全新的自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)及布局模式，該工程相關(guān)設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)少有案例參考，筆者利用仿真的手段研究欽州港全自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)，確保工程建設(shè)的科學(xué)性和合理性，并為碼頭決策提供依據(jù)和指導(dǎo)，進(jìn)一步降低碼頭后期運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

1 裝卸工藝系統(tǒng)布置

欽州港全自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)4個(gè)泊位，工程岸線總長(zhǎng)1 301.5 m，碼頭計(jì)劃設(shè)計(jì)吞吐量260萬(wàn)TEU。堆場(chǎng)垂直于碼頭岸線，堆箱區(qū)域總長(zhǎng)約563 m，港區(qū)范圍內(nèi)共布置21條堆場(chǎng)，采用重、空箱混堆模式，地面箱位約1.738萬(wàn)TEU。

碼頭前沿采用自動(dòng)化雙小車岸橋作業(yè)，其中岸橋軌內(nèi)布置艙蓋板堆放區(qū)和特殊箱作業(yè)通道，岸橋陸側(cè)軌后布置自動(dòng)化水平運(yùn)輸裝卸作業(yè)通道；集裝箱堆場(chǎng)采用自動(dòng)化雙懸臂集裝箱軌道龍門吊(ARMG)作業(yè)，近期每條箱區(qū)配置2臺(tái)雙懸臂ARMG，港內(nèi)集裝箱水平運(yùn)輸采用智能導(dǎo)引車(IGV)，港外集卡和IGV分別在ARMG懸臂兩側(cè)進(jìn)行裝卸作業(yè)。港區(qū)主要裝卸設(shè)備配置見表1。

表1 港區(qū)主要裝卸設(shè)備配置

該自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)及布置典型特征為：港外集卡在堆場(chǎng)內(nèi)的裝卸運(yùn)輸車道呈U形布置，外集卡在ARMG一側(cè)懸臂裝卸完成后繞至ARMG軌內(nèi)的車道掉頭出堆場(chǎng)(圖1)，港外集卡和港內(nèi)自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備交通組織物理分離、互不干涉。

圖1 U形全自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝特征

2 仿真模型構(gòu)建

根據(jù)欽州港全自動(dòng)化集裝箱碼頭相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙、裝卸工藝流程、道路交通組織、裝卸工藝設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料[3-4]，利用FlexTerm仿真軟件[5]建立碼頭仿真模型(圖2)，模擬碼頭裝卸生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程。

圖2 欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭仿真模型

根據(jù)欽州港大欖坪港區(qū)集裝箱的營(yíng)運(yùn)特點(diǎn)，并結(jié)合周邊工程的調(diào)研情況，本仿真模型主要輸入數(shù)據(jù)及邏輯假設(shè)如下：

1)到港集裝箱標(biāo)箱折算系數(shù)為1.3 TEU/自然箱。

2)集裝箱集疏運(yùn)流向占比：陸路集疏運(yùn)60%、水水中轉(zhuǎn)30%、鐵路集疏運(yùn)占10%。

3)到港各類集裝箱占比：重箱68%、空箱30%、冷藏箱2%。

4)集裝箱在港堆存時(shí)間：重箱7 d、空箱12 d、冷藏箱4 d。

5)外集卡進(jìn)出港裝卸數(shù)據(jù)：進(jìn)港峰值系數(shù)1.44，平均進(jìn)港送/提箱數(shù)為1.3自然箱，又提又送箱的外集卡占比約25%。

6)IGV充電策略假設(shè)：IGV工作電量區(qū)間20%～90%，該區(qū)間內(nèi)總續(xù)航時(shí)間為3 h。當(dāng)電量剩余20%～30%時(shí)，IGV應(yīng)完成當(dāng)前作業(yè)立刻安排充電；當(dāng)電量剩余30%～60%時(shí)，IGV可根據(jù)作業(yè)計(jì)劃靈活安排時(shí)間充電；剩余電量為60%～90%時(shí)，可無(wú)作業(yè)任務(wù)時(shí)充電。IGV電量由30%充至90%需要30 min。

7)到港裝卸船型假設(shè)：到港船舶靠泊裝卸優(yōu)先級(jí)外貿(mào)班輪>內(nèi)貿(mào)班輪>駁船，內(nèi)貿(mào)和外貿(mào)裝卸箱量各占比約50%。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 碼頭前沿作業(yè)狀態(tài)仿真分析

根據(jù)仿真模型運(yùn)行結(jié)果，在設(shè)計(jì)配置的裝卸設(shè)備條件下，碼頭可完成260萬(wàn)TEU的年作業(yè)任務(wù)量，其中岸橋可取得的平均作業(yè)效率為36.2 TEU/h，泊位占用率約59%(小于60%)，岸橋平均工作時(shí)長(zhǎng)約為4 852 h(利用率小于70%)，碼頭泊位和岸橋能力均有一定富余。

模擬時(shí)間段(8 760 h)內(nèi)，碼頭前沿全部12臺(tái)岸橋同時(shí)使用率約占20.8%(圖3)，全部12臺(tái)岸橋同時(shí)使用率相對(duì)過(guò)高。建議碼頭合理安排岸橋維修保養(yǎng)計(jì)劃，盡量保證作業(yè)過(guò)程中所有岸橋均處于良好的工作狀態(tài)。

圖3 碼頭前沿岸橋同時(shí)使用率

在既定的船舶靠泊策略條件下(優(yōu)先級(jí)外貿(mào)班輪>內(nèi)貿(mào)班輪>駁船)，各類型船舶等待靠泊裝卸的時(shí)間見表2，駁船等待時(shí)間明顯高于其他類型船舶，且駁船等待超過(guò)8 h的船舶占總到港駁船數(shù)的18.7%。

表2 各類型船舶靠泊裝卸等待時(shí)長(zhǎng)

3.2 堆場(chǎng)作業(yè)狀態(tài)仿真分析

根據(jù)仿真模型運(yùn)行結(jié)果，堆場(chǎng)平均占用率約為64.3%，完成260萬(wàn)TEU年任務(wù)量條件下，堆場(chǎng)內(nèi)ARMG的年平均工作時(shí)長(zhǎng)約為5 135 h(年設(shè)備利用率約58%)，所布置的堆場(chǎng)能力有一定富余，但堆場(chǎng)內(nèi)軌道吊的利用率相對(duì)稍高。ARMG平均作業(yè)效率約為17.3 move/h，見表3，作業(yè)過(guò)程中平均每小時(shí)運(yùn)行距離約為1 426 m。

表3 ARMG裝卸效率及大車運(yùn)行距離

3.3 港區(qū)交通量仿真分析

港外集卡主要通過(guò)港區(qū)橫二路(圖4)進(jìn)出集裝箱堆場(chǎng)進(jìn)行送、提箱作業(yè)，經(jīng)仿真模型模擬統(tǒng)計(jì)，外集卡進(jìn)出港區(qū)最大交通量集中在與進(jìn)港和出港閘口銜接的路段1和路段2，其中路段1最大交通量約為192輛/h、路段2最大交通量約為217輛/h，道路通行狀況良好。

圖4 外集卡車道

根據(jù)相關(guān)研究成果，港區(qū)單條道路的最大通行能力約為720輛/h[6]，路段1為4車道、路段2實(shí)際可用為5車道，考慮車道修正系數(shù)(4、5車道的車道數(shù)修正系數(shù)分別為3.2和3.7)，從表4可知，港區(qū)外集卡車道道路服務(wù)水平為一級(jí)(道路飽和度小于0.4則為一級(jí))。

表4 重點(diǎn)路段交通量及道路飽和度指標(biāo)

3.4 基于IGV配置數(shù)量的敏感性仿真分析

集裝箱自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備IGV是銜接堆場(chǎng)和碼頭前沿的紐帶，其配置數(shù)量決定著碼頭的裝卸效率，基于IGV配置數(shù)量的不同，對(duì)仿真模型進(jìn)行敏感性分析。

1)岸橋平均裝卸效率隨著IGV配置數(shù)量的增加而逐漸提高(圖5)，增加一定的IGV數(shù)量能夠減少岸橋裝卸船過(guò)程中等水平運(yùn)輸設(shè)備的時(shí)間，從而提高岸橋作業(yè)效率。

圖5 岸橋/ARMG裝卸效率與IGV配置數(shù)量之間的關(guān)系

2)IGV數(shù)量增加，ARMG平均裝卸效率也有所增加，但增加得不明顯，說(shuō)明堆場(chǎng)配置的ARMG能力發(fā)揮得接近飽和。

3)IGV運(yùn)輸單個(gè)集裝箱的平均運(yùn)距為920～930 m，隨著IGV配置數(shù)量的增加，IGV平均運(yùn)行速度呈下降趨勢(shì)(圖6)，說(shuō)明隨著IGV的增多，IGV之間相互減速避讓的情況增多，但I(xiàn)GV速度整體降低不明顯。

圖6 IGV運(yùn)行距離/速度與IGV配置數(shù)量之間的關(guān)系

3.5 基于IGV充電樁配置數(shù)量的敏感性仿真分析

IGV充電樁數(shù)量若配置得不夠，容易導(dǎo)致IGV等待充電時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)而影響碼頭前沿岸橋和堆場(chǎng)ARMG的作業(yè)效率。港區(qū)目前設(shè)計(jì)配備16臺(tái)IGV充電樁，考慮遠(yuǎn)期IGV有可能增配至84臺(tái)的基準(zhǔn)條件下，針對(duì)充電樁的配置數(shù)量進(jìn)行敏感性分析，見圖7。當(dāng)IGV充電樁數(shù)量降低至8臺(tái)時(shí)，對(duì)岸橋和軌道吊裝卸效率有一定影響；當(dāng)充電樁數(shù)量大于或等于12臺(tái)時(shí)，岸橋和軌道吊裝卸效率基本無(wú)變化。說(shuō)明港區(qū)目前配置的16臺(tái)充電樁可滿足IGV作業(yè)過(guò)程中的充電需求。

圖7 岸橋/ARMG裝卸效率與IGV充電樁配置數(shù)量之間的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

1)仿真分析表明，港區(qū)裝卸工藝系統(tǒng)及道路交通設(shè)計(jì)基本合理，可滿足碼頭設(shè)計(jì)吞吐量260萬(wàn)TEU的裝卸需求。

2)集裝箱堆場(chǎng)堆存能力有一定富余，但目前配置的ARMG能力趨于飽和，遠(yuǎn)期隨著吞吐量的增加可考慮適當(dāng)增加一定的ARMG設(shè)備。

3)道路最大交通量集中在港區(qū)橫二路與進(jìn)出港閘口的銜接路段，港區(qū)交通較為順暢，且道路整體通行能力有一定富余。

4)適當(dāng)增加碼頭IGV數(shù)量可進(jìn)一步提高碼頭前沿裝卸效率和通過(guò)能力。

5)港區(qū)IGV充電樁配置較為充裕，可滿足IGV作業(yè)過(guò)程中的充電需求。